Диссертация (1149385), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Темп рекомбинации через глубокиеуровни описывается статистикой Шокли-Рид-Холла [155]49Наконец, при больших концентрациях свободных носителей в одной из зон доминирующим может стать процесс Оже-рекомбинации (9). В этом процессе участвует третья квазичастица, и высвобожденная энергия будет забрасывать этот электрон (дырку) выше (ниже) в зонупроводимости (валентную зону) (см. рис. 2.1).

Впоследствии возбуждённый носитель термализуется через излучение фононов. Оже рекомбинация e-h пары также может быть с и без участияглубоких уровней Et.Оценим критическую концентрацию свободных носителей тока n, при которой при зонно-зонной рекомбинации Оже механизм начинает преобладать над прямым излучательным.Для GaN коэффициент излучательной рекомбинации (B) равен 3×10−11 см3/с, Ожерекомбинации (C) – 5.1×10−30 см6/с [156].

Из соотношения = 2 следует, что указанная концентрация составляет примерно 6х1018 см-3.2.2. Принципиальное устройство СЭМ. Регистрируемые сигналыСканирующий электронный микроскоп (СЭМ) – инструмент с широкими аналитическими возможностями благодаря физическим процессам, происходящим при взаимодействии электронного пучка с исследуемым объектом. Рассмотрим вначале принципиальную схему устройства СЭМ и генерируемые сигнала при взаимодействии высокоэнергетических электронов свеществом.Принципиальная схема СЭМ изображена на рис. 2.2 (А).

Два основных элемента СЭМ –(1) колонна электронной оптики, которая включает в себя электронную пушку, электромагнитные линзы и камеру для образцов, (2) – дисплей для вывода информации и блок управления.Источником электронов является электронная пушка, в которой могут быть установлены термоэмиссионный или полевой катоды. В данной работе использовался СЭМ с термополевым катодом, позволяющий получить разрешение ~1.5 нм, значения тока варьировать от 30 пА до10 нА при ускоряющих напряжениях 1-30 кВ.

Отличительная особенность термополевого катода является высокая временная стабильность, позволяющая проводить длительные измерения.Система сканирования электронным лучом синхронизована с системой визуализации, с которойтакже синхронизован один из используемых в данный момент детекторов СЭМ.

Однозначноеположение луча на объекте исследования и интенсивность сигнала в этой точке позволяет получать изображение объекта в различных режимах.50(А)(Б)Рис. 2.2 (А) Принципиальная схема СЭМ. (Б) Области генерации различных сигналов при взаимодействия электронного луча с образцом. 1 – падающий луч, 2 – Оже электроны, 3 – вторичные электроны, 4 – обратно-рассеянные электроны, 5, 6 – характеристическое и тормозное рентгеновское излучение, 7 – катодолюминесценция, 8 – токи, наведённые электронным лучомНа рис.

2.4 (Б) изображено сечение области взаимодействия электронного луча с образцом.Средняя глубина пробега первичных электронов в направлении первичного пучка, Re, называемая проекционной длиной, может быть аппроксимирована формулой: = ∙ 0 ,где – плотность образца, С – константа, зависящая от элементного состава образца, E0 – энергия падающих (первичных) электронов, n – изменяется в пределах от 1.2 до 1.7. В зависимостиот детектируемого сигнала, например, обратно-отражённые электроны, пространственное разрешение будет лимитировано размером области генерации данного сигнала dотр (рис.

2.2 (Б)). Внастоящей работе регистрировались сигналы, в основном, двух детекторов вторичных электронов и фотоэлектронный умножитель.вторичные электроны (3), отражают преимущественно морфологию поверхности исследуемого образца (5-10 нм);Катодолюминесценция (6) – излучение в диапазоне ИК-УФ (180-2000 нм), генерируемоерекомбинацией электронов и дырок через электронные уровни в запрещённой зоне диэлектриков и полупроводников, внутрицентровых переходах. Глубина выхода зависит от энергии первичных электронов и длины волны генерируемого света.В случае исследования тонких образцов (<200-330 нм) в сканирующем или просвечивающемэлектронных микроскопах к вышеперечисленным сигналам добавляются следующие варианты51регистрируемых сигналов, которые отражают информацию о кристаллической структуре, контраст плотности, дифракционный контрасты:Нерассеянные электроны;Упруго-рассеянные электроны;Неупруго-рассеянные электроны2.3.

КатодолюминесценцияОдним из самых важных преимуществ катодолюминесценции (КЛ) в СЭМ являетсяпрямая корреляция с изображением поверхности образца. Таким образом, можно точно определить пространственное происхождение спектральных особенностей. В частности, для наноструктур, не разрешаемых в оптическом микроскопе, эта особенность имеет наибольшее значение. Несмотря на то, что спектральный разрешение и возможность тонкой подстройки плотности возбуждения в широком диапазоне, достигаемой в фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии, обычно хуже в случае катодолюминесценции, однако КЛ предоставляет множество дополнительных данных.Для КЛ процесс возбуждения сильно отличается от ФЛ, где энергия падающих фотоновлишь немного превышают энергию запрещённой зоны полупроводника, электронный пучок вСЭМ ускоряется до нескольких кэВ.

Каскадные процессы, происходящие при облучении высокоэнергичными электронами в твёрдом веществе, приводят к образованию большого числа вторичных электронов на один падающий первичный электрон, которые, в свою очередь, приводятк возбуждению электронов из валентной зоны в зону проводимости, процесс, для которого всреднем необходима энергия, превышающая величину запрещённой зоны в примерно в 3 раза(Ekin ≈ 3Eg). Оставшаяся энергия первичного пучка уходит на возбуждение кристаллическойрешётки, т.е. на возбуждение фононов.Из-за наличия каскадного возбуждения при облучении электронами возникает множество следствий. Во-первых, любые широкозонные полупроводники могут быть возбуждены, вотличие от ФЛ, которая ограничена длинами волн, используемых лазеров. Только характеристики оптической системы регистрации излучения могут ограничивать доступный спектральный диапазон в КЛ. Вместе с тем, в КЛ отсутствует возможность резонансного возбужденияоптических переходов, а относительно высокие локальные плотности возбуждения могут приводить к насыщению оптических переходов с участием локальных уровней дефектов, а также кэкранированию внутренних электрических полей в образце.

Данные эффекты могут изменятьнаблюдаемую энергию излучения и должны учитываться при интерпретации КЛ результатов.С другой стороны, преимуществом КЛ является возможность изменения энергии падающих электронов, что приводит к изменению глубины формирования КЛ излучения. Для нит-52рида галлия область взаимодействия первичных электронов с веществом имеет сферическуюформу. Для примера, на рис. 2.3 (А) представлена характерная картина потерь энергии электронов для ускоряющего напряжения 10 кВ.

Голубая линия соответствует 5% первичной энергиипадающих электронов, а диаметр данной области составляет ~ 500 нм. Зависимость среднейглубины пробега электронов Re в GaN от энергии падающих электронов представлена нарис. 2.3 (Б). Из графика видно, что область взаимодействия в GaN для энергии первичных электронов 30 кВ в СЭМ может превышать 2.5 мкм. Данные результаты получены с помощью программы CASINO v.2.42.

Очевидно, что с увеличением энергии падающих электронов (ускоряющего напряжения) пространственное разрешение КЛ сигнала будет падать. Минимально возможные ускоряющие напряжения, при которых ещё происходит детектирование КЛ сигнала, –2-3 кВ, когда Re составляет 30-60 нм. Однако, использование столь маленьких ускоряющихнапряжений приводит к значительному снижению сигнала КЛ, что в большей степени связаннос безызлучательной рекомбинацией неравновесных носителей на поверхности.

Выбор тех илииных параметров установки при исследовании КЛ (ускоряющее напряжение, ток электронноголуча, время накопления сигнала и т.д.) всегда остаётся за преследуемыми экспериментаторомцелями.(А)(Б)Рис. 2.3 (А) – Форма области взаимодействия электронного луча с энергией 10 кВ с GaN.(Б) Средней глубины пробега электронов Re в зависимости от ускоряющего напряжения дляGaN.К снижению пространственного разрешения также приводит диффузия носителей тока.Несмотря на то, что возбуждение происходит локально, КЛ сигнал собирается параболическим/сферическим зеркалом со значительно большей площади поверхности образца. Другимисловами, независимо от того, где носители тока рекомбинируют, сигнал приписывается текущему положению возбуждающего электронного пучка. Поэтому диффузия носителей к излучающим или не излучающим центрам рекомбинации в пределах длины диффузии носителейбудет уменьшать пространственное разрешение (для GaN Ldif ≈ 200 нм [157]).

Характеристики

Список файлов диссертации